內河架空直立式碼頭發展歷程及發展趨勢展望

戴 俊，吳林鍵，咼城新，彭華君，舒 丹

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2. 中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300)

內河運輸具有運能大、運距長、能耗小、成本低、占地少、污染輕、節約能源等特有優勢，發展內河運輸順應了我國經濟可持續發展的戰略要求。三峽工程的建設一方面為內河航運帶來前所未有的機遇，同時也使庫區碼頭的建設面臨更為嚴峻的問題。三峽水庫成庫后水位落差高達30 m，使庫區港口工程建設更加困難和繁雜；加之庫區地形高差大，地質復雜并伴隨地質災害治理，導致港口碼頭建設成本大幅增加[1]。這給庫區碼頭的建設造成了極大的困難。多年來，內河碼頭的主要結構型式包括：斜坡式、分級直立式、半斜坡式、半直立式、棧橋式、臺階浮躉式等，隨著內陸經濟和內河航道的發展，舊的碼頭結構型式及其裝卸效率已不能滿足新的建設環境條件和內陸經濟發展的需求。基于上述原因，目前已提出一種內河架空框架直立式碼頭結構型式，該碼頭結構型式采用先進的裝卸工藝，大幅提高了碼頭的裝卸效率和通過能力，能較好的滿足內陸經濟發展的需求。但由于該結構型式存在框架結構復雜，縱、橫聯系撐繁多，樁基布置密集，經濟性較差等問題。因此，現正在對庫區架空直立式碼頭的結構型式以及其相應的構造、受力特性、經濟性等方面進行進一步深入地研究，以求設計出更能適應大水位差和大水深的經濟性更好、受力更優的庫區碼頭結構型式，為庫區大規模的碼頭建設提供技術指導和技術支撐[2]。

1 內河架空直立式碼頭發展歷程

1.1 在國外的發展歷程

對航運發達的歐洲地區所開發利用的的河流(如法國的羅納河、盧瓦爾河，美國的密西西比河，德國的多瑙河、萊茵河，俄羅斯的伏爾加河、第聶伯河等)而言，其水位差大多在幾米到十幾米之間。而我國，長江、西江、川江以及瀾滄江的水位差與國外所開發利用的河流的自然水文條件大不相同，其最大的水位差高達30 m。因此，由于國外所開發利用的河流不具有我國長江、西江、川江等河流高水位差的特征，所以，國外對于類似三峽庫區內河大水深、高變幅水位碼頭的合理結構型式的研究就相當罕見，也幾乎未見與內河架空直立式碼頭相應的碼頭結構型式的設計及研究成果[3]。

1.2 在國內的發展歷程

自從20世紀60年代起，我國針對大水位差碼頭的結構型式和裝卸工藝在川江、西江開始進行研究。經過幾十年的工程建設和探索研究，在關于大水位差碼頭建設的技術、經濟等方面總結了一些寶貴的經驗。我國西部地區河流眾多，水資源豐富，但大多屬于山區河流，隨著季節的變化，水位落差很大，最高可達30 m以上，因此，在我國西部地區所修建的碼頭，由于受到水文、地形、地質等條件的限制，大多采用了斜坡式碼頭的型式。經過多年的工程建設和研究，斜坡式碼頭已成為適應西部山區河流的主要碼頭型式，也是我國特有的碼頭型式[4]。

1.3 架空直立式與斜坡式碼頭的對比分析、發展趨勢探討

1.3.1 斜坡碼頭

采用躉船作為系靠船設施，用斜坡道與碼頭面連接，躉船隨水位變化沿斜坡道方向移動為斜坡碼頭。斜坡碼頭的最大優點是結構簡單、建設速度快，投資較少，對水位變化的適應性強。其缺點是躉船需隨水位變化經常移泊，移泊作業麻煩，另外，它的部分裝卸機械設在躉船上，作業受風浪影響大，在船與碼頭面之間有斜坡道連接，多了一個運輸環節。裝卸效率不高，運營成本較大，吞吐能力有限。

1.3.2 架空直立式碼頭

架空直立式碼頭是由接岸矮擋墻、棧橋結構和高樁框架平臺結構等部分組成，碼頭前沿裝卸作業通過集卡和岸邊起重機共同協作完成，是主要用于集裝箱裝卸的碼頭結構型式。其優點是運輸環節少，裝卸效率高，吞吐量大，機械化程度高；缺點是造價較高[5]。

斜坡碼頭與架空直立式碼頭經濟性、適用性對比情況見表1。

表1斜坡碼頭與架空直立式碼頭經濟性對比

Table1Economiccomparisonofslopedwharfandvertical-facedframecontainerwharf

表1清晰地反映出斜坡碼頭投資較少、適應性強的優點和裝卸效率不高、吞吐能力有限的缺點，以及出架空直立式碼頭卸裝效率高、吞吐量大的優點和造價較高的缺點。

縱觀近10多年的發展，即使架空直立式碼頭存在造價較高的缺點，但其仍在山區河流大水位差地區得到廣泛的應用和發展，并也將是山區河流(包括長江上游、三峽庫區)碼頭型式在今后的發展趨勢，主要原因如以下幾點[6]：

1)內河航道與樞紐的發展。經過多年內河航道的整治與建設，加之三峽大壩等樞紐地逐步完成，內河航道等級得以較大提高。由于航道等級的提升，長江 5 000 t級船可直達武漢，10 000 t級船隊可直達重慶，促使了內河水運的迅速發展。

2)西部市場的發展。隨著我國西部大開發戰略的實施和西部地區經濟的快速發展，促使我國東西部地區物資的貿易交流量和西部地區對外貿易量迅速增加。又由于水路具有運輸成本低廉的優勢，因而大量貨物的運輸會采用船舶集裝箱運輸方式。由此，水路運輸中的集裝箱運輸量必將迅猛增長。

3)裝卸工藝效率。直立式碼頭的裝卸機械設在碼頭面上，其作業不受水位和風浪的影響，裝卸效率高，吞吐量大；而斜坡式碼頭裝卸機械設在躉船上，作業易受到水位風浪的影響，并且多了一個斜坡運輸環節，導致其裝卸效率低、運營成本高，吞吐量小，且安全性較差。

4)工程建設資金的增長。在過去，由于工程建設資金比較缺乏，在碼頭結構選型時往往優先考慮采用造價相對較低的斜坡式碼頭。但近10多年來，隨著經濟的發展和融資渠道的多樣化，資金不再是主要的制約因素，碼頭結構選型時更多的是考慮其功能能否滿足現在貨物裝卸量急劇增長的情況下高裝卸效率的需求和地區未來經濟發展的需要。

2 內河架空直立式碼頭的組成、通過能力及荷載組合計算方法

2.1 內河架空框架直立式碼頭的組成

內河架空框架直立式碼頭主要由基樁、高樁框架平臺結構、橫梁、縱梁、縱橫聯系撐、接岸矮擋墻、棧橋結構、岸坡和碼頭設備等部分組成。特點是結構在縱橫向設置了較多的聯系撐，在豎直方向設置了分層系纜。現已建成的某內河架空框架直立式碼頭的全景圖、斷面圖如圖1、圖2。

圖1 某內河架空框架直立式碼頭Fig.1 A vertical-faced frame container wharf in inland river

圖2 某架空框架直立式碼頭結構的斷面Fig.2 Profile of vertical-faced frame container wharf

碼頭前沿裝卸作業通過集卡和岸邊起重機共同協作完成[7]，其裝卸工藝為：

2.2 內河架空框架直立式碼頭通過能力計算

碼頭通過能力是現代港口碼頭是否先進的重要判別標準。通過調研和分析內河現有碼頭的裝卸工藝及實際現狀，按式(1)計算模型計算內河斜坡式和架空框架直立式碼頭的通過能力，計算結果見表2：

(1)

(2)

P=np1K1K2

(3)

式中：Ty為碼頭作業天數，取330 d；G為設計船型的實際裝卸箱量(TEU)或實際裝卸量，t；tz為裝卸一艘該類船型所需的純裝卸時間，h；tf為該類型船舶裝卸輔助與技術作業時間之和，h；td為晝夜小時數，h，根據工作班次確定，三班制為24 h，兩班制為16 h，一班制為8 h；ts為晝夜泊位非生產時間之和，h；ρ為泊位利用率，%；P為設計船時效率，t/h；n為前方裝卸船設備臺數；p1為裝卸集裝箱船設備臺時效率，TEU/h；K1為集裝箱標準箱折算系數；K2為裝卸船設備同時作用率。

表2 碼頭通過能力計算結果

2.3 內河架空直立式碼頭荷載作用效應組合計算方法

目前，由于內河水位落差大，船舶荷載在碼頭結構上的作用位置隨水位變動而變化，這使得碼頭結構計算中的船舶荷載工況增多，碼頭結構各構件受力變得更為復雜。由此，其他不同河流條件或結構型式的碼頭，其荷載作用效應組合計算方法與內河架空框架直立式碼頭有所區別。

經內河航道整治技術交通行業重點實驗室對架空框架直立式碼頭結構進行模型實驗、數值模擬、綜合分析研究后，王多垠，等[8]提出了單位力法，該方法清晰地分析了各種工況對碼頭結構的作用，使碼頭結構計算結果更加準確，合理，該方法的荷載作用效應組合方法示意如圖3(其中n為分層系纜的層數)。

3 內河架空直立式碼頭存在的問題及發展趨勢展望

3.1 存在的問題

現已建內河架空框架直立式碼頭雖具有適應大水位差能力強、機械化程度高、吞吐量大、工人勞動強度低等優點，但存在下列缺點。

圖3 作用效應組合方法示意Fig.3 Schematic diagram of effect combination method

3.1.1 水下工程量大

三峽大壩成功蓄水后，庫區水位大幅提升，這對于三峽庫區港口碼頭建設而言，過去利用長時間的枯水期(頭年11月中上旬到次年4月中下旬)來進行港口碼頭建設的有利自然條件已不復存在，現面臨的是長時間的深水期(頭年11月到次年4月)和水位陡漲陡落的洪水期(7—9月可能出現的超過20 m以上的大水位差)，這就造成以往有利于碼頭建設的枯水施工期大幅縮短，庫區碼頭建設將面臨深水施工，碼頭建設水下工程量增大的問題。經對已建成的內河架空直立式碼頭寸灘碼頭研究，其排架間距小，樁基數目多，水下工程量巨大，施工期長，經濟性較差。

3.1.2 碼頭結構復雜

通過對已建成的架空框架直立式碼頭寸灘碼頭的研究分析，為承受較大的水平荷載，提高碼頭結構的整體剛度，該碼頭結構型式設置了較多的縱、橫聯系撐，且樁基布置密集，排架間距較小，這就使得整個結構構造復雜，且對河流流勢、河流演變造成一定影響，同時也增加了整個工程項目的造價。

3.2 內河架空框架直立式碼頭的發展趨勢

重慶交通大學王多銀、周世良等通過對已建內河架空框架直立式碼頭存在的問題的研究[1,3]，提出了粗樁大跨架空直立式碼頭結構型式的設計理念，即通過增加碼頭排架間距，減少樁基數目的方法來減少水下工程量，從而降低碼頭施工難度和工程造價；用加大樁徑的方式來提高碼頭承載能力和剛度，減少碼頭縱橫聯系撐的數目，從而簡化碼頭結構，優化結構受力。目前,粗樁大跨架空直立式碼頭結構型式憑借其適應大水位差能力強、機械化程度高、吞吐量大、工人勞動強度低、受力更合理，結構更簡單，施工更容易，經濟性更好等特點，在庫區碼頭建設中的應用前景越來越廣泛。

針對架空框架直立式碼頭結構型式的發展趨勢，因叉樁或斜樁基礎能有效地承受水平荷載，提高結構水平向剛度，減小碼頭結構在水平荷載作用下的橫向位移，從而可使架空框架直立式碼頭結構在保證剛度的同時大量減少縱橫聯系撐的數量，減少水下工程量，降低工程造價。加之碼頭嵌巖斜樁施工技術[9]和大直徑全斷面斜樁嵌巖施工技術[10]等嵌巖斜樁或叉樁技術的不斷發展和逐步成熟，使得在內河巖基地區修建嵌巖斜樁(叉樁)基礎成為了可能。故筆者認為：該碼頭結構型式的樁基礎會由全直樁基礎向直樁 + 斜撐基礎、直樁+嵌巖叉樁或斜樁基礎發展。

4 結 語

筆者基于三峽庫區蓄水對內河碼頭建設的影響和西部經濟迅猛發展的背景，介紹了內河碼頭建設面臨的新問題和內河碼頭結構型式的發展歷程，重點講述了內河新型碼頭結構型式——架空框架直立式碼頭在國內外的研究現狀和發展歷程，詳細闡述了內河架空框架直立式碼頭的組成、通過能力、荷載作用效應組合計算方法，并敘述了現已建成的內河架空框架直立式碼頭存在的問題和該結構型式的發展趨勢，提出采用直樁+嵌巖叉樁或斜樁的思路來優化碼頭結構，降低建設成本，為三峽庫區新型碼頭結構型式的發展提供參考。

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